单片机处理多个任务程序框架设计

前言

前不久，我有位做测试的朋友转去做开发的工作，面试遇到了一个问题，他没明白，打电话问了我。题目大概就是：

在单片机裸机开发时，单片机要处理多个任务，此时你的程序框架是怎样的呢？

这其实是个经典面试问题，我以前面试也被问过。

答案一：轮询系统

代码结构如：

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int main(void)

{
 init_something();
 
 while(1)
 {
  do_something1();
        do_something2();
        do_something3();
 }
}

这种结构大概是我们初学单片机的时候的代码结构。在没有外部事件驱动时，可以较好使用。

只答出了这种情况，印象分估计会比较低，多半凉凉。

答案二：前后台系统

代码结构如（该代码来自 《RT-Thread内核实现与应用开发实践指南》 ）：

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int flag1 = 0;

int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)
{
 /* 硬件相关初始化 */
 HardWareInit();

 /* 无限循环 */
 for (;;) {
   if (flag1) {
     /* 处理事情 1 */
     DoSomething1();
   }

   if (flag2) {
     /* 处理事情 2 */
     DoSomethingg2();
   }

   if (flag3) {
     /* 处理事情 3 */
     DoSomethingg3();
   }
 }
}

void ISR1(void)
{
 /* 置位标志位 */
 flag1 = 1;
 /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
 如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
 DoSomething1();
}

void ISR2(void)
{
 /* 置位标志位 */
 flag2 = 2;

 /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
 如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
 DoSomething2();
}

void ISR3(void)
{
 /* 置位标志位 */
 flag3 = 1;
 /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
 如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
 DoSomething3();
}

此处，中断称为前台，main中的while循环称为后台。相比于循环系统，这种方式相对可以提高外部事件的实时响应能力。

可以回答出这种情况，印象分大概一半以上，会再细问。

答案三：升级版前后台系统（软件定时器法）

以前，学C语言时，常常听到有人说：指针是C语言的灵魂，没学会指针就是没学会C语言。。

后来，学单片机时，又听到有人说：中断和定时器是单片机的灵魂，没掌握中断与定时器就没学会单片机。。

大佬们都那么说了，那就拿定时器来搞点事情。定时器浑身都是宝，本篇笔记我们来介绍使用定时器（系统滴答定时器或者其它定时器）来做的裸机框架。软件定时器法也有另一种说法：时间片轮询法。

可以回答出这种情况，这场面试多半稳了。

下面以STM32单片机为例看看这种方法的使用。

站在巨人的肩膀上

开源项目—— MultiTimer ，项目仓库地址：

https://github.com/0x1abin/MultiTimer

1、MultiTimer 简介

MultiTimer 是一个软件定时器扩展模块，可无限扩展你所需的定时器任务，取代传统的标志位判断方式， 更优雅更便捷地管理程序的时间触发时序。

2、MultiTimer 的demo

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#include "multi_timer.h"

struct Timer timer1;
struct Timer timer2;

void timer1_callback()
{
    printf("timer1 timeout!
");
}

void timer2_callback()
{
    printf("timer2 timeout!
");
}

int main()
{
    timer_init(&timer1, timer1_callback, 1000, 1000); //1s loop
    timer_start(&timer1);
    
    timer_init(&timer2, timer2_callback, 50, 0); //50ms delay
    timer_start(&timer2);
    
    while(1) {
        
        timer_loop();
    }
}

void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
    timer_ticks(); //1ms ticks
}

3、MultiTimer 的移植、剖析

想要对MultiTimer 进行深入学习可阅读项目源码及如下这篇文章：

第6期 | MultiTimer，一款可无限扩展的软件定时器

自己动手，丰衣足食

1、代码模板

准备一个定时器，可以是系统滴答定时器，也可以是TIM定时器，使用这个定时器拓展出多个软件定时器。

比如我们系统中有三个任务：LED翻转、温度采集、温度显示。此时我们可以使用一个硬件定时器拓展出3个软件定时器，定义如下宏定义：

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#define  MAX_TIMER            3            // 最大定时器个数

EXT volatile unsigned long    g_Timer1[MAX_TIMER]; 
#define  LedTimer             g_Timer1[0]  // LED翻转定时器
#define  GetTemperatureTimer  g_Timer1[1]  // 温度采集定时器
#define  SendToLcdTimer       g_Timer1[2]  // 温度显示定时器

#define  TIMER1_SEC        (1)              // 秒
#define  TIMER1_MIN        (TIMER1_SEC*60)  // 分

在定时器初始化的时候也顺便给三个软件定时器进行初始化操作：

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/********************************************************************************************************

** 函数: TIM1_Init, 通用定时器1初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 参数: arr：自动重装值 psc：时钟预分频数
** 说明: 定时器溢出时间计算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft
** 返回: void 
********************************************************************************************************/
void TIM1_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE); 
 
 /* 定时器TIM1初始化 */
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; 
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; 
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; 
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
 TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); 
  TIM_ClearFlag(TIM1,TIM_FLAG_Update );
 
 /* 中断使能 */
 TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_Update, ENABLE ); 
 
 /* 中断优先级NVIC设置 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =  TIM1_UP_IRQn;
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  
    
 // 全局定时器初始化
 for(int i = 0; i < MAX_TIMER; i++)
 {
  g_Timer1[i] = 0;   
 }
}

在定时器中断中对这些软件定时器进行定时值做递减操作：

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/********************************************************************************************************

** 函数: TIM1_IRQHandler,  定时器1中断服务程序
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 参数: 无
** 返回: 无 
********************************************************************************************************/
void TIM1_UP_IRQHandler(void)   //TIM1中断
{
 uint8 i;
 
 if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) != RESET)  // 检查TIM1更新中断发生与否
 {
  //-------------------------------------------------------------------------------
  // 各种定时间器计时
  for (i = 0; i < MAX_TIMER; i++)     // 定时时间递减     
   if( g_Timer1[i] ) g_Timer1[i]-- ;
  TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);     //清除TIMx更新中断标志 
 }
} 

我们在各个定时任务中给这些软件定时器赋予定时值，这些定时值递减到0则该任务会被触发执行，比如：

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void Task_Led(void)

{
 //----------------------------------------------------------------
 // 等待定时时间
 if(LedTimer) return;
 LedTimer = 1 * TIMER1_SEC;
 //----------------------------------------------------------------
 // LED任务主体
 LedToggle();
}

void Task_GetTemperature(void)
{
 //----------------------------------------------------------------
 // 等待定时时间
 if(LedTimer) return;
 LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
 //----------------------------------------------------------------
 // 温度采集任务主体
 GetTemperature();
}

void Task_SendToLcd(void)
{
 //----------------------------------------------------------------
 // 等待定时时间
 if(LedTimer) return;
 LedTimer = 2 * TIMER1_SEC;
 //----------------------------------------------------------------
 // 温度显示任务主体
 LcdDisplay();
}

如此一来，每过1、2、4秒则分别触发LED翻转任务、温度采集任务、温度显示任务。

这里配置的最小定时单位为1秒，当然根据实际需要进行配置（定时器初始化），定时器初始化可以放在系统统一初始化函数里：

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/********************************************************************************************************

** 函数: SysInit, 系统上电初始化
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 参数: 
** 说明: 
** 返回: 
********************************************************************************************************/
void SysInit(void)
{
 CpuInit();                  // 配置系统信息函数
 SysTickInit();              // 系统滴答定时器初始化函数
 UsartInit(115200);          // 串口初始化函数，波特率115200
 TIM1_Init(2000-1, 36000-1); // 定时周期1s
 LedInit();                  // Led初始化
 TemperatureInit();          // 温度传感器初始化
 LcdInit();                  // LCD初始化
}

此时我们的main函数就可以设计为：

int main(void)

{
 //----------------------------------------------------------------------------------------------- 
 // 上电初始化函数
 SysInit(); 
 
 //----------------------------------------------------------------------------------------------- 
 // 主程序
 while (1)
 {
  //----------------------------------------------------------------------------------------------- 
  // 定时任务
  Task_Led();
  Task_GetTemperature(); 
  Task_SendToLcd();
 }
}

主函数主要是进行系统上电的一些初始化操作，接着是调用各定时任务函数。

本demo使用定时器1来扩展出3个软件定时器，如果TIM资源不够用，可以换用系统滴答定时器来做。如：

其中，时间基数可以根据实际需要进行调整。

2、实践（代入法）

套用以上模板，分享我的一个实例：

需要思考及注意的问题是给每个任务的定时值设置多大合适？这也是一些朋友有疑问的，这只能是自己对自己的任务做考虑，具体情况具体分析，给经验值、调试调整。

就如同常常有人问定义多大的数组合适？在使用RTOS时每个线程的线程栈大小设置多大合适、优先级设置为多少合适？这些都是需要我们自己进行思考的。

有模板/轮子套用是好事，但有些问题不能单单依靠模板，否则有可能把自己给套进去。

以上是以STM32为例的，其它单片机也是可以用这样子的思想的，包括51单片机。

面对文首提到的面试问题，若是可以提到使用软件定时器来处理，进一步能清楚地表达出来，再进一步能写出一些伪代码，那这场面试多半是稳了。

不仅仅是为了面试，本文的方法是很经典的，小编曾经接触的产品项目中就有用到，很实用，值得学习掌握。方法掌握多了，实际应用的时候想用屠龙刀还是倚天剑根据实际情况选择使用即可。

以上就是本次的分享，如有错误，欢迎指出，谢谢。